基于Mission Planner的无人机自主导航测量系统设计与实现
近些年，全球导航卫星系统发展迅速，接收机的成本、尺寸和重量不断减小，而定位精度不断提高。
目前，许多学者多研究无人机在遥感方面及高精度全球导航卫星系统测量系统的应用。
一、多旋翼无人机运动分析
采用导航坐标系和机体坐标系描述四旋翼无人机的飞行姿态，如下图所示，其中F1、F2、F3、F4分别为相应旋翼所产生的升力。在导航坐标系中，Ozn、Oxn垂直于Oyn并且在同一水平面中，Ozn轴垂直于水平面，其中Oxn和Oyn的方向分别为东和北。
在机体坐标系中，原点定义为机体中心，Oxb轴为旋翼3和旋翼4与原点的角平分线，同理Oyb轴为旋翼1和旋翼4与原点的角平分线，并且Oxb与Oyb相互垂直，Ozb轴垂直向上。姿态测量系统中的磁力计、加速计、陀螺仪等传感器均以机体坐标系为基准输出坐标值。
因此，将横滚角定义为Oxb轴与水平面的夹角φ，俯仰角为Oyb与水平面的夹角，偏航角为绕Ozb轴旋转角ψ，顺时针方向为正。
二、自主导航测量系统
1、总体设计
自主导航测量系统共分为地面控制系统和无人机飞行平台两个部分。地面站、数传图传交互模块和GNSS基准站构成地面控制系统;动力装置、Pixhawk飞行控制系统、GNSS接收机、电子罗盘模块和数传图传交互模块构成无人机飞行平台。此套自主导航测量系统的整体结构如下图所示。
整个控制系统通过无人机内环飞控完成机体的稳定飞行以及俯仰、横滚、偏航等动作。GNSS系统2通过与卫星信号进行交互，实时解算出无人机的位置信息，最终通过数传系统2将各类信息发送至地面站中。
GNSS模块1与地面控制系统的基准站构成PPK后差分系统，从而获取高精度的无人机位置信息。相机将所获取的视频数据通过图传模块实时将视频流数据发送至地面站。
2、无人机飞行平台及地面控制站的搭建
采用四旋翼飞行器作为飞行平台，飞行器的组件主要包括:F450机架、YH2216自锁电机、好盈乐天20A电调、1047螺旋桨、Pixhawk飞控、NEO-M8TGNSS和视频叠加OSD(on-screendisplay)模块，飞机轴距设计为450mm。
在无人机上搭载主要的功能部件，通过集成开发，组成无人机飞行平台。主要的功能部件为:V5数传电台、TS832图传发射机、相机、云台、PPK移动站，最终构建的无人机飞行平台如下图所示。地面控制系统采集无人机的空间位置、航向、视频等信息，同时采用PID(proportionintegrationdifferentiation)控制算法完成无人机的飞行控制。
主要的部件有:ＲC832图传接收机、V5数传电台、MissionPlanner地面站、FS-AT9S型遥控器、便携式计算机。
3、PPK-GNSS定位装置设计
为获取准确的空间位置数据，本系统设计一套PPK后差分系统采集数据。移动站和基准站均采用U-blox公司的NEO-M8T芯片，该芯片可接收BDS、GPS、GLONASS和Galileo等其他卫星系统信号，其中接收机的尺寸为5.5cm×3.4cm×1.2cm。此套后差分系统的基准站采样频率设定为1Hz，移动站采样频率为10Hz，PPK差分系统如下图所示。
三、无人机飞行自主路径规划
MissionPlanner地面站是开源地面控制软件，主要用于旋翼和固定翼等其他机型，为无人机提供动力学控制。
MissionPlanner作为无人机地面测控系统，工作人员可通过该系统对无人机进行实时控制，同时无人机端将所获取的坐标信息如下图所示。
使用系统中的地图模块可实现航迹点路径规划、目标点的读取、无人机位置和航行轨迹显示、创建飞行任务;数据交互模块可实现机载端各类数据的显示以及地面端指令的发送等;数据保存模块主要实现规划航点和目标航点的数据保存。
四、结论
(1)设计完成了PPK-GNSS定位装置与无人机航迹控制系统。该系统由无人机飞行平台和地面控制站两部分组成，无人机飞行平台以四旋翼无人机为载体，整个平台飞行稳定，控制性能良好，设计并搭建了以NEO-M8T芯片为核心的PPK-GNSS定位装置。
(2)通过MissionPlanner地面测控系统中的地图模块、数据存储模块、数据交互模块和通信模块，实现无人机的飞行路线规划、航点位置数据读取、实时显示无人机的位置和飞行轨迹等功能。
(3)系统试验结果表明PPK-GNSS模块定位精度达到厘米级，无人机自动导航定位精度达到分米级。将两者相结合进行点位坐标测量试验，定位精度均能达到10cm，此套系统具有较高的定位精度和稳定性，效率较高。
